近期，南方科技大学理学院化学系教授许宗祥及合作团队在钙钛矿光伏关键材料研发取得新进展，在材料、能源领域高水平期刊Advanced Energy Materials、Joule发表相关学术论文。
成果一：共轭离子添加剂提高基于PTAA钙钛矿太阳电池效率
聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）凭借其优异的热稳定性，以及在实现高效率和器件长期稳定性方面的显著优势，已成为n-i-p结构钙钛矿太阳能电池（PSCs）中应用最为广泛的空穴传输材料（HTM）之一。然而，目前基于PTAA的n-i-p PSCs的光电转换效率（PCE）仍未能突破25%大关。与基于Spiro-OMeTAD的器件相比，基于PTAA的器件在短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）方面表现相近，但其开路电压（VOC）却明显偏低。在钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿体相或表面较高的缺陷密度、能级不匹配，以及与电荷传输层（CTLs）之间界面接触较差的问题，均可能引发少数载流子在钙钛矿/CTL界面处的陷阱辅助复合。这种非辐射复合过程会显著减少有效光生载流子的数量，从而导致VOC的下降。因此，界面修饰与添加剂工程被视为解决上述问题的有效策略，它们不仅能够调节能级排列、减少缺陷态密度，还能显著改善钙钛矿与CTLs之间的界面接触，从而提升器件整体性能。
为解决上述问题，研究团队在已有钝化剂QAPyBF4的基础上，通过对其共轭阳离子进行结构修饰，成功开发出一种新型共轭离子型添加剂—MeQAPyBF4。该添加剂的阳离子部分引入了甲基取代的π-共轭结构，这一设计不仅增强了QA类阳离子之间的π-π相互作用，还使其更倾向于富集于钙钛矿薄膜的界面和晶界区域。通过这种选择性分布，MeQAPyBF4能够有效调节能级排列、钝化薄膜中的缺陷、提升空穴的提取与传输效率，并显著减少电荷的界面积累。与此同时，该添加剂的阴离子则更趋向于聚集在钙钛矿与SnO2之间的埋底界面，在该关键位置发挥缺陷钝化作用，优化界面接触质量，从而为高质量钙钛矿薄膜的生长提供有利条件。
得益于这一界面工程优化策略，以PTAA作为HTM的n-i-p结构器件实现了高达26.17%的PCE，其VOC更是达到了1.195 V，展现出优异的能量输出特性。此外，孔径面积为15.17 cm2的小面积模组也实现了23.57%的峰值功率转换效率，表明该策略在大面积器件中也具有良好的适用性。更为重要的是，这些器件表现出了卓越的长期稳定性：在氮气氛围中储存1944小时后，器件仍能保持初始效率的85%；在1个标准太阳光照下进行连续最大功率点跟踪（MPPT）940小时后，效率依旧维持在80%左右；即使在85°C高温条件下进行140小时的MPPT测试，器件效率仍然保持在初始值的90%（图1）。这些结果充分证明了该器件在热稳定性和工作稳定性方面均具有出色的表现，为其实际应用奠定了坚实基础。相关新型钝化剂已在深圳市摩乐新能源科技有限责任公司实现产业化。
图1.MeQAPyBF4分子结构及钙钛矿光伏器件结构和性能
该研究通过共轭离子添加剂实现体相与界面协同钝化，使基于 PTAA 的钙钛矿太阳能电池效率达到 26%。研究成果以“ Synergistic Bulk and Interface Passivation via Conjugated Ionic Additives Enables 26% Efficient PTAA-Based Perovskite Solar Cells”为题发表于Advanced Energy Materials。许宗祥课题组博士生丁远家和硕士生张乐天为该论文的共同第一作者，南科大为论文第一单位。共同通讯作者包括香港城市大学博士后曲歌平、许宗祥。
成果二：分子接触功能化提高纹理化钙钛矿-硅串联太阳能电池性能
当前，钙钛矿/硅叠层太阳能电池在p-i-n结构钙钛矿顶电池中普遍采用基于烷基链的自组装单分子层（SAMs）作为关键空穴选择性接触材料。然而，这类材料在微米级金字塔纹理硅表面易形成多层堆叠结构，不仅造成显著的电荷传输损耗，更导致器件性能退化。针对这一关键问题，研究团队采用基于共轭连接单元的SAM分子—(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)-苯基)膦酸，进而与商业化烷基链SAM(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)丁基)膦酸（4PADCB）开展系统对比研究。研究表明，单纯采用Bz-PhpPACz反而会导致叠层电池性能显著下降。通过精细化学分析，团队揭示商业级4PADCB中存在的微量溴取代杂质能有效诱导界面钝化，并显著提升空穴传输效率。基于这一发现，研究团队通过精准合成溴取代型Bz-PhpPACz（即Bz-PhpPABrCz），并系统调控其与Bz-PhpPACz的混合比例，最终证实共轭连接单元与溴取代基团的协同效应可以显著增强叠层电池性能。实验数据显示，采用优化后SAM分子的钙钛矿/硅叠层太阳能电池，在硅底电池上实现了31.4%的光电转换效率（图2）。
本研究成果不仅阐明了分子设计策略与杂质工程在调控界面性能中的协同机制，更为新一代高效稳定钙钛矿/硅叠层太阳能电池的开发提供了创新方法论，对推动光伏技术产业化进程具有重要战略意义。相关新型SAM材料已申报中国发明专利，在深圳市摩乐新能源科技有限责任公司实现产业化供应。
图2.溴代SAM分子设计和钙钛矿/硅叠层器件性能
相关研究成果以“Enhanced Charge Extraction in Textured Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells via Molecular Contact Functionalization”为题，发表在学术期刊Joule上。许宗祥课题组硕士生张乐天和慕尼黑大学博士生黄健为该论文的共同第一作者，南科大为论文通讯单位。通讯作者包括香港城市大学博士后曲歌平、慕尼黑大学Erkan Aydin博士和许宗祥。以上研究得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅基础与应用基础研究重大项目、深圳市科创局高校稳定支持计划和面上项目基金，以及南方科技大学公共分析测试中心和深圳市摩乐新能源科技有限责任公司的大力支持。
论文链接：
Advanced Energy Materials：https://doi.org/10.1002/aenm.202504647
Joule：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102227
参考消息来源：南方科技大学新闻网
